測(cè)量物質(zhì)的電學(xué)性能的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測(cè)量物質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)和相關(guān)性能的裝置和方法，并包括 一種用于精確測(cè)量具有從極低（~10 15s/cm)到較高（~10 13S/cm) (S/cm=西門(mén)子每厘 米）的范圍的電導(dǎo)率的液體的電導(dǎo)率的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 測(cè)量非常低的液體的電導(dǎo)率（〈InS/cm)(納西門(mén)子每厘米）歷來(lái)對(duì)儀器造成問(wèn)題。 除了明顯的阻性泄漏通道的問(wèn)題以外，液體在電場(chǎng)下具有極化的趨勢(shì)并且可以在電極界面 形成可以屏蔽測(cè)量區(qū)域的大量的樣品的雙層。為了補(bǔ)償該極化，使用交變極性（AC)波形進(jìn) 行大多數(shù)液體的電導(dǎo)率測(cè)量。選擇足夠快的該波形的頻率以便沒(méi)有由于在測(cè)量區(qū)域的極性 轉(zhuǎn)換之前在被測(cè)量的樣品中發(fā)生的雙層極化而導(dǎo)致的可觀察到的場(chǎng)屏蔽。用于這些AC測(cè) 量的典型的頻率范圍可以從水相體系的遠(yuǎn)大于ΙΟΚΗζ到一些非水相體系的小于1Hz。
[0003] 增加的測(cè)量問(wèn)題是當(dāng)使用AC測(cè)量波形時(shí)，寄生電容分流被測(cè)量的樣品可能引起 大的異相位的返回信號(hào)。當(dāng)被測(cè)量的電導(dǎo)率非常低時(shí)，這些異相位的電流可以是大于感興 趣的同相位的返回信號(hào)的數(shù)量級(jí)。這些異相位的信號(hào)不僅可以使輸入放大器階段過(guò)載，而 且由于并聯(lián)電容值通常是被測(cè)量的液體的介電常數(shù)的強(qiáng)函數(shù)，所以對(duì)于通用的液體電導(dǎo) 儀，并聯(lián)電容本身可以根據(jù)被測(cè)量的樣品而變化大于50比1。一些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)起到了 補(bǔ)償外部電纜電容的作用，但假定使樣品分流的寄生電容僅是測(cè)量電池的幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù) 并且是一固定值。例如，參見(jiàn)發(fā)明人為Zhou等人、專(zhuān)利號(hào)為7, 550, 979、名稱(chēng)為用于測(cè)量液 體電導(dǎo)率的方法和裝置（SYSTEMANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITYOFFLUID) 的美國(guó)專(zhuān)利以及發(fā)明人為Barnett、專(zhuān)利號(hào)為6, 232, 786、名稱(chēng)為用于測(cè)量電導(dǎo)率的裝置 和方法（APPARATUSANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITY)的美國(guó)專(zhuān)利。其它現(xiàn)有 技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)試圖以降低電池常數(shù)和/或限制可以測(cè)量的液體類(lèi)型為代價(jià)使該并聯(lián)電容 最小化。例如，參見(jiàn)發(fā)明人為Fougere、專(zhuān)利號(hào)為8, 552, 750、名稱(chēng)為用于測(cè)量高阻抗性流 體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的裝置和方法（APPARATUSANDMETHODFORTHEMEASUREMENT0F ELECTRICALCONDUCTIVITYANDDIELECTRICCONSTANTOFHIGH頂PEDANCEFLUIDS)的美 國(guó)專(zhuān)利。
[0004] 通常需要使用正弦波驅(qū)動(dòng)來(lái)感測(cè)電導(dǎo)率因?yàn)檫@允許極其窄頻段區(qū)分返回信號(hào)，這 輔助消除來(lái)自諧波、驅(qū)動(dòng)頻率附近的串?dāng)_和其它不需要的干擾信號(hào)的噪聲。例如，參見(jiàn)發(fā)明 人為Barnett、專(zhuān)利號(hào)為6, 232, 786、名稱(chēng)為用于測(cè)量電導(dǎo)率的裝置和方法（APPARATUSAND METHODFORMEASURINGCONDUCTIVITY)的美國(guó)專(zhuān)利。這對(duì)于其中異相位的返回信號(hào)是易管 理的這樣的系統(tǒng)可以起到好的效果，但當(dāng)異相位與同相位的返回分量的比變得非常高時(shí)， 誤差趨向于迅速增加，顯著降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0005] 使用正弦波驅(qū)動(dòng)的液體電導(dǎo)率儀曾經(jīng)嘗試通過(guò)試圖從返回信號(hào)中減去特定量的 正交相位信號(hào)來(lái)處理該大的異相位的返回分量（例如，參見(jiàn)用于型號(hào)627電導(dǎo)率儀的操作 員手冊(cè)（OperatorManualforModel627ConductivityMeter)，這是從新澤西州的普林斯 頓的Scientifica購(gòu)買(mǎi)的以及參考專(zhuān)利號(hào)為6, 265, 883的美國(guó)專(zhuān)利）。然而，因?yàn)楫愊辔环?回信號(hào)一一以及因此補(bǔ)償減法信號(hào)一一可以是大于感興趣的同相位的返回信號(hào)的數(shù)量級(jí)， 所以在補(bǔ)償正交相位減法信號(hào)中的極其小的相位誤差可能引起相對(duì)大的測(cè)量準(zhǔn)確度誤差。
[0006] 還使用非正弦波（例如方波）驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)測(cè)量液體系統(tǒng)的電導(dǎo)率。例如，參見(jiàn)發(fā) 明人為Clark、專(zhuān)利號(hào)為6, 265, 883、名稱(chēng)為用于組合測(cè)量流體的電學(xué)性能和深度的裝置和 方法（APPARATUSANDMETHODFORCOMBININGMEASUREMENTOFELECTRICALPROPERTIES ANDDEPTHOFAFLUID)的美國(guó)專(zhuān)利以及發(fā)明人為Blades、專(zhuān)利號(hào)為4, 683, 435、名稱(chēng)為用 于補(bǔ)償非線(xiàn)性的電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)的電路（CIRCUITFORCOMPENSATINGNON-LINEARITIESIN ELECTROLYTECONDUCTIVITYMEASUREMENTSYSTEM)的美國(guó)專(zhuān)利。對(duì)于具有極其低的電導(dǎo) 率和大量的并聯(lián)電容的樣品系統(tǒng)，使用非正弦波驅(qū)動(dòng)可以隔離電容返回信號(hào)并去除處理當(dāng) 試圖解決涉及分出同相位的返回信號(hào)分量的非常小的相位角時(shí)可能發(fā)生的大的準(zhǔn)確度誤 差的一些困難。當(dāng)使用非正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)，可能失去通過(guò)使用窄頻帶驅(qū)動(dòng)信號(hào)獲得的許多信 噪比的改進(jìn)。另外，所使用的頻率不再僅僅是要求阻止在電極處形成雙層的相應(yīng)物的函數(shù)。 對(duì)于在波形轉(zhuǎn)換邊緣的由寄生并聯(lián)電容引起的電流尖脈沖，該頻率必須保持足夠低以在作 出測(cè)量之前衰減。這可能限制了可以在一些系統(tǒng)上使用的頻率。
[0007] 在能夠測(cè)定具有范圍從大約IfS/cm(毫微微西門(mén)子每厘米）（例如，1，4-二氧己 環(huán)或甲苯）直到大約lmS/cm(毫西門(mén)子每厘米）（例如，5mM氯化鉀水溶液）的電導(dǎo)率和范 圍從1.8(例如，戊烷或己烷）到差不多200(例如，N-甲基乙酰胺或N-甲基甲酰胺）的 介電常數(shù)的流體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的儀器的情況下，也希望具有電池常數(shù)（定義為A/ L，面積與間隙長(zhǎng)度的比）在可能遇到的流體參數(shù)的整個(gè)范圍內(nèi)不改變的探針。由于電極 邊緣的電場(chǎng)的邊緣（fringing)，電極的有效面積通常大于根據(jù)電極的尺寸從幾何面積計(jì) 算的面積。由于電場(chǎng)的邊緣的范圍是樣品性能的函數(shù)，所以需要使用邊緣對(duì)電池常數(shù)的影 響很小的電池設(shè)計(jì)，以及使用有效的電池常數(shù)的改變對(duì)于范圍從最小的到最大的可能的介 電常數(shù)或電導(dǎo)率的所有樣品來(lái)說(shuō)是可以忽略的這樣的電池設(shè)計(jì)。這樣的電池允許在覆蓋 的范圍內(nèi)的任何一個(gè)點(diǎn)處確定電池常數(shù)，而不是甚至對(duì)于適度范圍的電導(dǎo)率和介電常數(shù)都 要求使用非常接近于未知樣品的值的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率和要求多個(gè)校準(zhǔn)常數(shù)。盡管已經(jīng)說(shuō)明了 被防護(hù)的、具有固定和可調(diào)整的電池常數(shù)的平行板電池（Dikarev，B.N.等人發(fā)表在介電 材料、測(cè)量和應(yīng)用會(huì)議出版物（DielectricMaterials,MeasurementsandApplications ConferencePublicationNo. 473, _ 2000)No. 473, @ 2000 中的"用于液體電介質(zhì)的電導(dǎo) 率測(cè)量的測(cè)試電池的設(shè)計(jì)特征"(DesignFeaturesoftheTestCellsforConductivity MeasurementinDielectricLiquids))，但目前獲得的大多數(shù)電導(dǎo)率測(cè)定用電池是沒(méi)有防 護(hù)的并需要多個(gè)校準(zhǔn)流體來(lái)限定必須儲(chǔ)存在儀表中的多個(gè)校準(zhǔn)常數(shù)。盡管很麻煩，但該方 法在較高（例如水溶液）的電導(dǎo)率范圍（>10uS/cm(微西門(mén)子每厘米））中是可能的，因?yàn)?在該范圍中存在一些可獲得的已知的標(biāo)準(zhǔn)。然而，在低于luS/cm的整個(gè)范圍中目前沒(méi)有可 獲得的可靠的校準(zhǔn)流體。這是特別有問(wèn)題的因?yàn)樵摲秶械慕殡姵?shù)覆蓋了 2-80的大得 多的范圍。明顯地，完全防護(hù)的電池將是對(duì)該范圍中的液體的改進(jìn)。因?yàn)樾枰哂懈叩腁/ L比的電池在這些低的電導(dǎo)率范圍內(nèi)，所以通常選擇同心圓柱體的幾何結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兏o 湊而且電極對(duì)準(zhǔn)比平行板更不容易出錯(cuò)。然而，我們卻不知道同心圓柱形探針，對(duì)于圓柱形 探針通過(guò)安置在其兩端的防護(hù)電極可以完全防護(hù)信號(hào)電極。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)的探針還通過(guò)用在圓柱體的兩端的支撐結(jié)構(gòu)、通過(guò)在沿著圓柱體的多個(gè) 點(diǎn)處的支撐結(jié)構(gòu)（例如，參見(jiàn)用于型號(hào)627電導(dǎo)率儀的操作員手冊(cè)（OperatorManualfor Model627ConductivityMeter)，這是從新澤西州的普林斯頓的Scientifica購(gòu)買(mǎi)的）、 或通過(guò)用螺絲將外部圓柱體與平坦的擋塊固定（例如，參見(jiàn)發(fā)明人為Fougere、專(zhuān)利號(hào)為 8, 552, 750、名稱(chēng)為用于測(cè)量高阻抗性流體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的裝置和方法（APPARATUS ANDMETHODFORTHEMEASUREMENTOFELECTRICAL⑶NDUCTIVITYANDDIELECTRIC CONSTANTOFHIGH頂PEDANCEFLUIDS)的美國(guó)專(zhuān)利）來(lái)保持圓柱體的同心性。兩個(gè)端部支 撐結(jié)構(gòu)和多個(gè)點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)的方法很難拆卸清洗或很難清洗安裝而不影響電池常數(shù)的再 現(xiàn)性。用螺絲將外部圓柱體與平坦的擋塊固定的方法允許拆卸，但在每個(gè)拆卸/重新組裝 周期以及在長(zhǎng)期使用和磨損的情況下易于失去電池常數(shù)的再現(xiàn)性。除非此處另有說(shuō)明，此 處使用的"液體"或"流體"包括單一或混合的化學(xué)物質(zhì)、單相或多相有機(jī)或無(wú)機(jī)化學(xué)品或 生物學(xué)，以及包括例如懸浮液、分散質(zhì)、乳狀液、具有氣泡的液體（也就是，液體為連續(xù)相）。 待測(cè)試的液體可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的（流動(dòng)和/或湍流的）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供（以總成、子總成、和部件、硬件/軟件水平）一種能夠以彌補(bǔ)現(xiàn)有技 術(shù)遇到的問(wèn)題的方式測(cè)量液體/流體的電學(xué)性能的裝置、系統(tǒng)和方法。
[0010] 本發(fā)明的系統(tǒng)通常是與探針、樣品容納裝置或傳感器連接的測(cè)量裝置。測(cè)量裝置 通常包含能夠刺激與探針或樣品容納裝置接觸的樣品的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元和返回信號(hào)處理單 元。信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)一步包含能夠產(chǎn)生各種波形狀、振幅、頻率（包括DC)和相位的波形的 可編程的波形發(fā)生器。返回信號(hào)處理單元進(jìn)一步包含一個(gè)或多個(gè)放大器、特征可以動(dòng)態(tài)變 化的濾波器、能夠增加到信號(hào)中或從信號(hào)中減去的信號(hào)修正元件，以及其它信號(hào)處理部件。 [0011] 在信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)的可編程的波形發(fā)生器可以